Режимы передачи

Во всех типах передачи FDM, TDM... в зависимости от направления передачи данных существуют следующие режимы передачи:

• симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном направлении;

• полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно во времени.

• дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.

Выводы

• В сетях для соединения абонентов используются три метода коммутации: коммутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений.

• Как коммутация каналов, так и коммутация пакетов может быть либо динамической, либо постоянной.

• В сетях с коммутацией каналов абонентов соединяет составной канал, образуемый коммутаторами сети по запросу одного из абонентов.

• Для мультиплексирования каналов между коммутаторами используются две технологии: частотного разделения канала (FDM) и разделения канала во времени (TDM). Частотное разделение характерно для аналоговой передачи сигналов, а временное - для цифрового кодирования.

• Сети с коммутацией каналов хорошо коммутируют потоки данных постоянной интенсивности, (разговор по телефону), но не могут перераспределять пропускную способность между разными абонентами динамически.

• Сети с коммутацией пакетов были разработаны для пульсирующего компьютерного трафика. Буферизация пакетов в коммутаторах позволяет сгладить неравномерности трафика каждого абонента и найболее эффективно распределять загрузку оборудования магистралей, однако для абонентов пропускная способность сети может оказаться ниже, чем у сети с коммутацией каналов, за счет очередей пакетов в коммутаторах.

• Размер пакета существенно влияет на производительность сети. Чем больше пакет, тем быстрее передается сообщение, но менне эффективно перераспределяются потоки между абонентами. Чем пакет меньше, тем больше служебной информации передается, что сказывается на скорость передачи. Обычно для золотой середины пакеты в сетях имеют максимальный размер в 1-4 Кбайт.

• Коммутация сообщений предназначена для организации взаимодействия пользователей типа почты, когда не ожидается немедленной реакции на сообщение. При этом методе коммутации сообщение передается через несколько транзитных компьютеров, где оно целиком буферизуется на диске. Примером служит электронная почта.

Вопросы самостоятельной работы:

1. Что такое коммутация каналов и каковы ее недостатки. Что такое мультиплексирование FDM и WDM.

2. Каков принцип коммутации пакетов. В чем его преимущества по сравнению с коммутацией каналов. Мультиплексирование TDM.

Лекция 8. (+)Принцип работы прозрачного моста (bridge)

Ограничения сети, построенной на концентраторах

При построении небольших сетей проблемы концентраторов не очень ощутимы, но в сетях от 20 узлов и более:

1) количество коллизий и сигналов в сети не позволяет нормально работать компьютерам.

2) есть жесткие ограничения максимальной длины сети при ее проектировании ( т.е суммарной длины всех сегментов самой длинной цепочки сети)

Структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов

Ограничения общей разделяемой среды (сегмента на концентраторах), можно преодолеть, разделив сеть на несколько частей и соединив их такими устройствами, как мосты, коммутаторы или маршрутизаторы (рис 1).

Рис 1. Логическая структуризация сети

Эти устройства передают кадры с одного своего порта на другой, анализируя адрес назначения, помещенный в этих кадрах

Мосты (bridge) и коммутаторы(switch). выполняют операцию передачи кадров на основе МАС - адресов. При этом единая разделяемая среда делится на несколько частей, каждая из которых присоединена к порту моста или коммутатора.

Говорят, что при этом сеть делится на логические сегменты или сеть подвергается логической структуризации.

Каждый порт моста работает как конечный узел своего сегмента за одним исключением одного - порт моста не имеет собственного МАС – адреса. Все поступающие на порт пакеты запоминаются в буферной памяти. Когда мост собирается передать кадр с сегмента на сегмент, то он заново пытается получить доступ к другому сегменту как конечный узел по правилам алгоритма доступа ( например,CSMA/CD).

Мост и коммутатор - это функциональные близнецы. Оба эти устройства продвигают кадры на основании одних и тех же алгоритмов. Мосты и коммутаторы используют два типа алгоритмов:

• алгоритм прозрачного моста (transparent bridge), описанного в стандарте IEEE 802. ID ( для сетей Ethernet, Token Ring, FDDI)

• алгоритм моста с маршрутизацией от источника (source routing bridge) компании IBM для сетей Token Ring и FDDI.

Прозрачные мосты незаметны для сетевых адаптеров конечных узлов, так как они самостоятельно строят специальную адресную таблицу, на основании которой можно решить, на какой порт нужно передать пришедший кадр. Алгоритм прозрачного моста не зависит от технологии локальной сети, в которой устанавливается мост, поэтому прозрачные мосты Ethernet работают точно так же, как прозрачные мосты FDDI.

Принцип работы прозрачных мостов

Прозрачный мост строит свою адресную таблицу из информации в приходящих на его порт кадров. По адресу источника кадра мост делает вывод о принадлежности этого узла тому или иному сегменту сети.

Рассмотрим процесс автоматического создания адресной таблицы моста и ее использования на примере простой сети, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Принцип работы прозрачного моста

В исходном состоянии мост ничего не знает о том, компьютеры с какими МАС - адресами подключены к каждому из его портов. Поэтому вначале мост просто передает любой пришедший кадр на все остальные порты.

Обучение: получая каждый кадр, мост проверяет –есть ли адрес отправителя в его таблице?. Если адреса нет, то он записывает его в таблицу с номером порта, на который он пришел. Например, если компьютер 1 отправил кадр компьютеру 3, то мост его получил на порт 1 и в таблицу коммутации будет записана первая запись

МАС-адрес	Порт
Мас-адрес компьютера 1	1

После этого кадр будет отправлен на все остальные порты ( в примере это порт 2)

В дальнейшем, если компьютер 3 пошлет ответ компьютеру 1, то мост получит его на порт 2 и в таблицу коммутации будет добавлена еще одна запись

МАС-адрес	Порт
Мас-адрес компьютера 1	1
Мас-адрес компьютера 3	2

И.так далее ( полностью заполненная таблица в нашем примере сети показана на рис 2).

Продвижение (forwarding) кадра –если мост нашел адрес получателя в своей таблице, то он отправляет кадр на порт, указанный в таблице.

Фильтрация (filtering) кадра - если компьютеры принадлежат одному сегменту, то кадр просто удаляется из буфера и работа с ним на этом закончивается.

Если же адрес назначения неизвестен, то мост передает кадр на все свои порты, кроме порта - источника кадра, как и на начальной стадии процесса обучения.

Затопление сети (flood) - кадры с широковещательными МАС - адресами передаются мостом на все его порты, как и кадры с неизвестным адресом назначения.

Широковещательный шторм (broadcast storm) – если в результате каких-либо сбоев протокол или сетевой адаптер начинают работать некорректно и постоянно с высокой интенсивностью посылают в сеть кадры с широковещательным адресом в течение длительного времени

Постоянное изменение таблицы коммутации. Мост постоянно следит за адресами кадров, чтобы быть в состоянии автоматически приспосабливаться к изменениям, происходящим в сети: перемещениям компьютеров из одного сегмента сети в другой, появлению новых компьютеров. По истечении определенного тайм-аута запись в таблице коммутации помечается как недействительная, если за это время мост не принял ни одного кадра от данного адреса. После переноса компьютера в друой сегмент его кадры начнут попадать в буфер моста через другой порт, и в адресной таблице появится новая запись, соответствующая другому состоянию сети.

Входы адресной таблицы могут быть динамическими, создаваемыми в процессе самообучения моста, и статическими, создаваемыми вручную администратором сети. Статические записи не имеют срока жизни, что дает администратору возможность подправлять работу моста, если это необходимо. Не все коммутаторы имеют возможность статического задания таблицы коммутации.

На рис. 3 показана типичная структура моста.

Рис. 3. Структура моста

микросхемы MAC идентичны микросхемам сетевого адаптера и определяют доступ к среде при приеме и передаче кадров.

Буферная память – используется как временная память, где сохраняются кадры после приема или перед передачей

Протокол моста – это программа управления передачей кадров и таблицей коммутации.

Ограничения топологии сети, построенной на мостах

1. Слабая защита от широковещательного шторма.

2. Невозможность поддержки петлеобразных конфигураций сети.

Выводы:

Большинство крупных сетей разрабатывается на основе структуры с общей магистралью, к которой через мосты и маршрутизаторы присоединяются подсети. Эти подсети обслуживают различные отделы. Подсети могут делиться и далее на сегменты, предназначенные для обслуживания рабочих групп. В общем случае деление сети на логические сегменты:

• повышает производительность сети - за счет разгрузки сегментов,

• а также гибкость построения сети - легкость довавления или удаления отдельных сегментов,

Сети должны проектироваться на двух уровнях: физическом и логическом.

Физическое проектирование – это определение технологии сети и выбор конкретного сетевого оборудования.

Логическое проектирование определяет места расположения ресурсов, приложений и способы группировки этих ресурсов в логические сегменты.

Мосты нужно применять так, чтобы между логическими сегментами не было петель, то есть строить с помощью мостов только древовидные структуры, гарантирующие наличие только одного пути между любыми двумя сегментами. Точно так же это ограничение действует и на коммутаторы.

Лекция 9. (+)Технологии Token Ring, FDDI.

Token Ring,

Сеть Token Ring состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо является общей разделяемой средой, и для доступа к ней требуется не случайный алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью кадра специального формата, называемого маркером или токеном (token).

Технология Token Ring был разработана компанией IBM в 1984 году. Компания IBM использовала технологию Token Ring в качестве своей основной сетевой технологии для построения локальных сетей на основе компьютеров различных классов - мэйнфреймов, мини-компьютеров и персональных компьютеров. Именно компания IBM являлась основным законодателем моды технологии Token Ring, производя около 60 % сетевых адаптеров этой технологии.

Сети Token Ring работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с. Смешение станций, работающих на различных скоростях, в одном кольце не допускается.

Маркерный метод доступа к разделяемой среде

В сетях с маркерным методом доступа (Token Ring, FDDI, ArcNet, сети производственного назначения MAP) право на доступ к среде передается циклически от станции к станции по логическому кольцу в одном направлении. В сети Token Ring любая станция всегда непосредственно получает данные только от одной станции - той, которая является предыдущей в кольце ( верхней). Передачу же данных станция всегда осуществляет своему ближайшему соседу вниз по потоку данных.

В сети Token Ring кольцо образуется отрезками кабеля, соединяющими соседние станции. Таким образом, каждая станция связана со своей предшествующей и последующей станцией и может непосредственно обмениваться данными только с ними. Для обеспечения доступа станций к физической среде по кольцу циркулирует кадр специального формата и назначения - маркер.

Получив маркер, станция при отсутствии у нее данных передает маркер дальше по кольцу. Если станции нужно передать кадр, то она вместо маркера передает по кольцу свой кадр и ждет. Кадр снабжен адресом назначения и адресом источника. Когда станция назначения получает кадр, то она вставляет признак получения в служебный кадр-ответа и отправляет его дальше по кольцу отправителю. Отправитель, получив подтверждение, снова передает маркер по кольцу следующему узлу. Такой алгоритм доступа применяется в сетях Token Ring со скоростью работы 4 Мбит/с, описанных в стандарте 802.5.

Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Для сетей 4 Мбит/с он обычно равен 4 Кбайт, а для сетей 16 Мбит/с - 16 Кбайт.

В сетях Token Ring 16 Мбит/с используется также несколько другой алгоритм доступа к кольцу, называемый алгоритмом раннего освобождения маркера (Early Token Release). В соответствии с ним станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу кадра с битом подтверждения приема. Таким образом, по кольцу одновременно продвигаются кадры нескольких станций.

Для различных видов сообщений передающей станцией могут назначаться различные приоритеты кадрам: от 0 (низший) до 7 (высший). (протокол Token Ring получает этот параметр от протоколов верхнего уровня).

Физический уровень технологии Token Ring

Стандарт Token Ring фирмы IBM изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MSAU (Multi-Station Access Unit) (рис. 1). Сеть Token Ring может включать до 260 узлов.

Концентратор Token Ring может быть активным или пассивным. Пассивный концентратор просто соединяет порты внутренними связями, а активный еще усвиливает сигнал. MSAU обеспечивает обход какого-либо порта, когда присоединенный к этому порту компьютер выключают. Такая функция необходима для обеспечения связности кольца вне зависимости от состояния подключенных компьютеров.

Рис 1. Конфигурация сети Token Ring на концентраторе.

Технология Token Ring позволяет использовать для соединения станций различные типы кабеля: STP Type I, UTP Type 3, UTP Type 6, а также волоконно-оптический кабель, спецификации которых покакзаны в таблице.

Таблица 1. Характеристики стандартов Token Ring

Характеристика	4 Мб\c		16 Мб\c
Кабель	UTP-3	STP	UTP-3	STP
Максимальная длина сегмента, м	150	300	60	100
Максимальное расстояние между узлами сети, км	4
Максимальное число станций в сегменте	79	260	79	260
Максимальное число повторителей между любыми узлами сети	9	33	9	33

Позже компания IBM предложила новый вариант технологии Token Ring, названный High-Speed Token Ring, HSTR. Эта технология поддерживает битовые скорости в 100 и 155 Мбит/с, сохраняя основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.

FDDI

Технология (Fiber Distributed Data Interface)- оптоволоконный интерфейс распределенных данных - это первая технология локальных сетей, в которой использован волоконно-оптический кабель. Стандарт FDDI создан в 80-е годы и обеспечивает передачу кадров со скоростью 100 Мбит/с по двойному волоконно-оптическому кольцу длиной до 100 км.

Основные характеристики технологии

• Технология FDDI основывается на технологии Token Ring и маркерном методе доступа, развивая и совершенствуя ее основные идеи..

Сеть FDDI строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети. Наличие двух колец - это основной способ повышения отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят воспользоваться этим повышенным потенциалом надежности, должны быть подключены к обоим кольцам.

В нормальном режиме работы сети данные проходят через все узлы и все участки кабеля только первичного (Primary) кольца,. Вторичное кольцо (Secondary) в этом режиме не используется.

В случае какого-либо вида отказа, когда часть первичного кольца не может передавать данные (например, обрыв кабеля или отказ узла), первичное кольцо объединяется со вторичным (рис. 19), вновь образуя единое кольцо. Операция перключения производится средствами концентраторов и/или сетевых адаптеров FDDI. Для упрощения этой процедуры данные по первичному кольцу всегда передаются в одном направлении (на диаграммах это направление изображается против часовой стрелки), а по вторичному - в обратном (изображается по часовой стрелке). Поэтому при образовании общего кольца из двух колец передатчики станций по-прежнему остаются подключенными к приемникам соседних станций, что позволяет правильно передавать и принимать информацию соседними станциями.

Рис 1. Реконфигурация колец FDDI при отказе

Сеть FDDI может полностью восстанавливать свою работоспособность в случае единичных отказов ее элементов. При множественных отказах сеть распадается на несколько не связанных сетей.

Отличия метода доступа заключаются в том, что для асинхронного трафика время удержания маркера в сети FDDI не является постоянной величиной, а зависит от загрузки кольца - при небольшой загрузке оно увеличивается, а при больших перегрузках может уменьшаться до нуля. Для синхронного трафика время удержания маркера по-прежнему остается фиксированной величиной.

Механизм 8 приоритетов кадров в технологии FDDI отсутствует. Разработчики решили, что деление разделить трафик на два класса - асинхронный и синхронный, последний из которых обслуживается всегда, даже при перегрузках кольца.

В остальном пересылка кадров между станциями кольца на уровне MAC полностью соответствует технологии Token Ring. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как и сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

Адреса уровня MAC имеют стандартный для технологий IEEE 802 формат. Формат кадра FDDI близок к формату кадра Token Ring, основные отличия заключаются в отсутствии полей приоритетов.

Отказоустойчивость технологии FDDI

Для обеспечения отказоустойчивости в стандарте FDDI предусмотрено создание двух оптоволоконных колец - первичного и вторичного. В стандарте FDDI допускаются два вида подсоединения станций к сети:

• DA - Dual Attachment,.- одновременное подключение к обеим кольцам

• SA - Single Attachment -подключение только к первичному кольцу.

В стандарте FDDI предусмотрено наличие в сети концентраторов. Для станций и концентраторов допустим любой вид подключения к сети :

• SAS (Single Attachment Station) и SAC (Single Attachment Concentrator)- одиночное

• DAS (Dual Attachment Station) и DAC (Dual Attachment Concentrator), - двойное..

Разъемы типа А и В должны быть у устройств с двойным подключением, разъем М (Master) имеется у концентратора для одиночного подключения станции, у которой ответный разъем должен иметь тип S (Slave).

Рис 2. Подключение узлов к кольцам FDDI

В случае однократного обрыва кабеля между устройствами с двойным подключением сеть FDDI сможет продолжить работу за счет автоматической реконфигурации внутренних путей передачи кадров между портами концентратора (рис. 21). Двукратный обрыв кабеля приведет к образованию двух изолированных сетей FDDI. При обрыве кабеля, идущего к станции с одиночным подключением, она становится отрезанной от сети, а кольцо продолжает работать за счет реконфигурации внутреннего пути в концентраторе - порт М, к которому была подключена данная станция, будет исключен из общего пути.

Рис 3. Реконфигурация сети FDDI при обрыве провода.

станции DAS или концентраторы DAC можно подключать к двум портам М одного или двух концентраторов, создавая древовидную структуру с основными и резервными связями. По умолчанию порт В поддерживает основную связь, а порт А - резервную. Такая конфигурация называется подключением Dual Homing

Физический уровень технологии FDDI

В технологии FDDI для передачи световых сигналов по оптическим волокнам реализовано логическое кодирование 4В/5В в сочетании с физическим кодированием NRZI. Технология FDDI в настоящее время поддерживает два подуровня: для волоконно-оптического кабеля и для неэкранированной витой пары категории 5. Последний стандарт появился позже оптического и носит название TP-PMD. Максимальное расстояние между узлами в соответствии со стандартом TP-PMD равно 100 м.

Максимальная общая длина кольца FDDI составляет 100 километров, максимальное число станций с двойным подключением в кольце - 500.

Сравнение FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring

В табл. 2 представлены результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring.

Таблица 2. Характеристики технологий FDDI, Ethernet, Token Ring

Так как технология FDDI получилась качественной, но весьма дорогой то основной областью применения технологии FDDI стали магистрали сетей, состоящих из нескольких зданий, а также сети масштаба крупного города. Для подключения клиентских компьютеров и даже небольших серверов технология оказалась слишком дорогой.

Вопросы для самостоятельной работы

1. Опишите маркерный метод передачи, который используется для TokenRing и FDDI.

2. Перечислите основные характеристики и отличия TokenRing и FDDI.

Лекция 10.(+)Основы работы коммутаторов.

Передача кадров через коммутаторы:

Все принимаемые кадры сначала попадают в буфер входого порта, затем процессор определяет порт, на который нужно передать кадр и затем отправляет кадр на нужный порт. Коммутатор одновременно ( параллельно) может передавать кадры Сложность возникает, если выходной порт занят. В этом случает приходящие кадры накапливаюится во входном буфере и, если буфер переполняется, – то все остальные кадры отбрасываются. Это приводит в дальнейшем к повторной передаче пропавших кадров узлами сети и замедлению работы сети в целом.

К такой же ситуации может привести недостаточная пропускная способность выходного порта. Например, на вход поступают кадры со скоростью 1 Гбит/с (GigabitEthernet), а предельная скорость

выходного порта 100 Мбит/с (FastEthernet).

Рис. 1. Переполнение буфера порта из-за несбалансированности трафика

В то же время передача кадров между портами может выполняться независимо друг от друга – параллельно ( рис 2).

Рис. 2. Параллельная передача кадров коммутатором

. На рисунке 2 изображена идеальная ситуация, когда четыре порта из восьми передают данные с максимальной для протокола Ethernet скоростью 10 Мб/с, причем они передают эти данные на остальные четыре порта коммутатора не конфликтуя - потоки данных между узлами сети распределились так, что для каждого принимающего кадры порта есть свой выходной порт. Общая производительность коммутатора в приведенном примере составит 4*10 = 40 Мбит/с ( хотя каждый порт работает со скорстью всего 10мб/с.)